在嵌入式應用基礎上的單芯片USB方案

精品文檔-下載后可編輯在嵌入式應用基礎上的單芯片USB方案USB（通用串行總線）相信大多數(shù)人都接觸過，隨著各種數(shù)碼設備的大量普及，特別是MP3和數(shù)碼相機的普及，我們周圍的USB設備漸漸多了起來。自USB在1994年底由英特爾、康柏、IBM、Microsoft等多家公司聯(lián)合提出以來。USB技術的應用已經(jīng)從初應用為一種連接外設和PC的方法經(jīng)過了長足的發(fā)展。USB標準的靈活性和適應性，加上目前流行的基于USB的存儲設備和音樂播放器，激發(fā)了許多不是基于PC的嵌入式系統(tǒng)紛紛采用USB?，F(xiàn)在，從電視機和機頂盒等家庭娛樂設備，到智能儀器、機器控制器、數(shù)碼標識系統(tǒng)和手持終端等工業(yè)應用，各種嵌入式應用都正在引入USB主機接口以提供數(shù)據(jù)存儲/傳輸，媒體錄音重放以及其他接口能力。

當我們把USB連接引入到一個現(xiàn)有的嵌入式應用的時候，我們就要知道如何升級設計者現(xiàn)有的設計以支持USB。下面我們就來說說可以做幾個選擇。

用一個具有內部USB協(xié)議處理能力的設備替代它們現(xiàn)有的處理設備（CPU或微控制器）就是一個選擇。這時用戶通常需要重新設計他們的硬件和軟件的部分以支持新的處理器。這會有些麻煩。尤其是如果需要USB主機能力，則需要新的軟件設備驅動和服務來處理設備枚舉之類的功能，支持不同的USB設備類和傳輸模式。對現(xiàn)有產(chǎn)品作這樣的重要變化，經(jīng)常是非常耗時并且代價不菲的。所以一般情況下大多數(shù)人不選這個，畢竟在經(jīng)濟社會下少花費能做出來總不會去做多花費的。

FTDIVinculum-II（VNC2）模塊圖。

另一種方法是使用一種現(xiàn)成的USB芯片方案，如英商飛特帝亞有限公司（FTDI）的Vinculum-II（VNC2）。Vinculum是FTDI的嵌入式USB主/從控制器系列的名稱。發(fā)布的第二代芯片VNC2是針對在嵌入式應用中實現(xiàn)USB功能時的許多關鍵問題而設計，并提供完整的單芯片USB解決方案。這款芯片的特點是有兩個獨立的可配置的USB主/從接口，一個用戶可編程處理器核，具有多種靈活的接口以支持輕松集成到一個現(xiàn)有的嵌入式設計中。使用這種方案的好處在于設計者能夠重用其現(xiàn)有設計的部分，用的開發(fā)成本和快的上市時間支持增強的產(chǎn)品特征。所以這個方法得到很廣大的應用。

從上文我們對VNC2有了初步的了解。接下來進一步觀察VNC2的性能，該芯片有2個獨立的USB2.0（基于半雙工二線制總線）接口，提供USB主控端或從控端的連接，具有一個16位哈弗結構CPU核，16K字節(jié)的SRAM存儲器和258K字節(jié)的FLASH用于編程和固件存儲。由兩個嵌入式的USB主/從控制器以的內部CPU負荷實現(xiàn)完整的USB協(xié)議處理。這樣解放了CPU核，使它可用于用戶處理功能?？刂破饔兄С?個主要的USB傳輸類型，它們分別是控制、批處理、中斷和同步，因此可以支持廣泛的USB應用。

VNC2不僅僅只支持USB接口，還有一系列靈活的接口，使之能夠輕松的連接到其他的處理設備和外設。所支持的接口包括一個串行UART接口（通用異步收發(fā)器），用來連接到其它CPU或微控制器，一個高速FIFO（FirstInputFirstOutput，一種先進先出的數(shù)據(jù)緩存器）接口，可用于比如一個ASIC或PLD（可編程邏輯器件）、SPI（串行外設接口）主從端口、以及8個PWM（脈沖寬度調制）通道之間傳輸數(shù)據(jù)以支持相關電路的控制。下面圖2就是一個VNC2所提供的靈活連接的例子的細節(jié)設計。這樣讓大家有個比較直觀的了解VNC2的一系列靈活的接口。

圖2：帶有通訊功能的MP3/媒體播放器接口設計。

圖2描述的應用是使用FTDIVNC2設備以對現(xiàn)有處理單元的的負荷提供MP3和視頻播放以及與現(xiàn)有應用的通訊功能。

MP3/音頻重放：運行在VNC2上的固件代碼用于從USB存儲棒上讀取文件。音頻數(shù)據(jù)傳送個MP3解碼器用于音頻輸出，同時顯示屏用于圖像或視頻重放。VinculumII軟件工具鏈具有與USB閃存接口和與顯示控制器和音頻編解碼SPI接口的設備驅動。通信：通過第二個可用的USB接口可以對應用增加進一步的功能。這里，通過適當?shù)腢SBKEY可以增加通訊設備類（CDC）來支持藍牙，3G/GPRS通訊。

對于所有的嵌入式應用，無論是采用電池供電還是市電供電的，電源消耗和管理都是關鍵問題。為了實現(xiàn)低耗電工作，VNC2支持各種低功耗模式。在典型的工作模式，CPU運行在48MHz，VNC2芯片在1.8V核電壓僅消耗25mA（1.8V是從3.3V供電的芯片內部產(chǎn)生的）。要進一步降低功耗，可以首先通過降低CPU的工作頻率至24MHz或12MHz的方式，其次可采用通過軟件關閉芯片上不使用的接口的方式。另外還可使用設備掛起模式。在掛起模式下，VNC2僅消耗128uA電流。這些不同的功耗模式為用戶提供了設備功耗管理的優(yōu)良的增益控制，幫助嵌入式應用獲取優(yōu)化的功耗性能。

軟件接口

在對USB應用的軟件開發(fā)時，首先要了解USB軟件的功能，這是一個很重要的先決條件。就如在學習英文時候要先學習英文的26字母。在許多USB連接方案中，有一個USB主機（比如PC）和一個USB從設備（比如打印機或USB鍵盤）。在USB從設備初連接時，USB主機（PC）的作用是識別/枚舉這個設備。枚舉涉及到從從設備中讀取USB的參數(shù)和功能信息。從設備讀來的信息包含廠商/產(chǎn)品ID，支持的傳輸和設備類型。這個設備類型表示了從設備的功能和數(shù)據(jù)傳輸要求。比方說USB鍵盤（人機接口設備）設備按照他們不同的用法會有不同的功能，對USB存儲器（大容量存儲器類設備）支持不同的數(shù)據(jù)傳輸。每個設備類型會要求不同的軟件設備驅動。在PC應用中，操作系統(tǒng)比如Windows執(zhí)行設備枚舉功能，具有各種驅動支持不同的USB類型。

在嵌入式應用中實現(xiàn)USB主控功能需要采用類似的方法。集成了USB功能的嵌入式處理設備需要驅動以支持枚舉和各種USB設備類型。有些情況下沒有完整的USB驅動，需要用戶用盡開發(fā)資源。還有一些特定的設備結構，USB協(xié)議處理是由軟件實現(xiàn)的，要求設計者要么自己開發(fā)要么購買USB協(xié)議棧。這種方式除了開發(fā)和版權的開銷，USB接口性能也可能被運行在設備CPU上的其他軟件進程所限制。

使用VNC2USB主/從控制器，用戶可受益于一個優(yōu)化的結構，它具有基于USB處理的硬件和軟件驅動綜合套件，以及在單個設備中提供完整USB功能的資源。用戶可以使用VinculumII軟件工具套件在VNC2上作應用開發(fā)。這個工具有一個嵌入式RTOS（實時操作系統(tǒng)）管理下層接口函數(shù)，一套設備驅動支持不同的硬件接口以及各種應用層驅動。這個應用層驅動對不同的USB類型設備提供支持，比如USBHID，USB主機和USB設備。還有其他的應用驅動可用于管理FAT文件系統(tǒng)和執(zhí)行磁盤存儲功能。VinculumII軟件工具套件幫助開發(fā)人員使用這些資源來實現(xiàn)他們自己的應用代碼，允許在VNC2上直接處理用戶數(shù)據(jù)，從而不需要在外部MCU或處理器上的主機處理功能。VNC2的軟件結構圖如圖3所示。

圖3：Vinculum-II軟件結構。

VinculumII軟件開發(fā)工具套件允許用戶針對VNC2上的CPU處理器創(chuàng)建基于C的應用程序。這個工具套件是封裝為一個集成開發(fā)環(huán)境（IDE），具有標準的代碼編譯，創(chuàng)建，調試和編輯功能。Vinculum-II是完整的USB系統(tǒng)解決方案，支持一系列靈活的接口，包括UART、SPI、FIFO以及PWM輸出塊用于控制發(fā)動機和其他的模擬設備。完整的USB協(xié)議數(shù)據(jù)處理完全由設備內部的硬件來處理，而無需用戶擴展應用的處理資源。這種完全可編程的USB處理器由新型Vinculum軟件工具套裝來支持，可以提供基于C語言的集成開發(fā)環(huán)境，不需要許可證或版權費用，用戶能夠非常方便地為VNC2開發(fā)應用。

開發(fā)資源

USB橋接器芯片的領導廠商FTDI除了開發(fā)工具，還開發(fā)了一系列的預編譯固件鏡像文件（特定的一系列文件按照一定的格式制作成單一的文件。）。固件鏡像文件能包含通常的USB應用相關的功能，比如對USB存儲設備的管理和接口，音樂重放，與USB打印機，HUB和HID類型設備的接口。這些固件鏡像文件已經(jīng)可用于代Vinculum芯片VNC1L。預編譯固件鏡像文件提供一個備用的應用程序，嵌入式系統(tǒng)設計者可以展開它或直接用作一個引用來添加到他們自己的專用程序中。當結合多種特征和前面提到的的軟件開發(fā)資源，VNC2為嵌入式應用提供了一種有成本效益的完整的USB功能，同時通過把重新設計用戶現(xiàn)有設計的部分的工作量化，從而使開發(fā)者的開發(fā)風險大大地降低了。這樣的功能得到了很多開發(fā)者的青睞。

現(xiàn)在有許多的硬件平臺可用于支持采用FTDIVNC2USB主/從芯片進行USB應用的原型和開發(fā)。VNC2USB主/從控制器有各種封裝形式可用，LQFP和QFN類型的封裝有32腳、48腳和64腳等多種選擇。多種選擇不僅適用多種設備，也讓消費者有了多樣的選擇空間。

USB簡介

USB,是英文UniversalSerialBUS（通用串行總線）的縮寫，而其中文簡稱為“通串線，是一個外部總線標準，用于規(guī)范電腦與外部設備的連接和通訊。是應用在PC領域的接口技術。USB接口支持設備的即插即用和熱插拔功能。USB是在1994年底由英特爾、康柏、IBM、Microsoft等多家公司聯(lián)合提出的。

從1994年11月11日發(fā)表了USBV0.7版本以后，USB版本經(jīng)歷了多年的發(fā)展，到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展為3.0版本，成為目前電腦中的標準擴展接口。目前主板中主要是采用USB1.1和USB2.0，各USB版本間能很好的兼容。USB用一個4針（USB3.0標準為9針）插頭作為標準插頭，采用菊花鏈形式可以把所有的外設連接起來，多可以連接127個外部設備，并且不會損失帶寬。USB需要主機硬件、操作系統(tǒng)和外設三個方面的支持才能工作。目前的主板一般都采用支持USB功能的控制芯片組，主板上也安裝有USB接口插座，而且除了背板的插座之外，主板上還預留有USB插針，可以通過連線接到機箱前面作為前置USB接口以方便使用（注意，在接線時要仔細閱讀主板說明書并按圖連接，千萬不